JP5756392B2 - 密封装置及びこの密封装置を備える緩衝器 - Google Patents

Description

この発明は、密封装置及びこの密封装置を備える緩衝器の改良に関する。

一般的に、密封装置は、輸送機器や建築物において振動を抑制する緩衝器や、油圧駆動用のシリンダ装置等に用いられ、緩衝器やシリンダ装置等に収容される作動流体を密封する。

例えば、特許文献１に開示の密封装置は、自動車の車体と車輪の間に介装されて路面凹凸による振動が車体に伝わることを抑制するサスペンション用の緩衝器に利用されている。

そして、図４に示すように、上記密封装置Ｓ１は、緩衝器Ｄにおけるシリンダ（筒部材）１内に移動可能に挿入されたピストンロッド（軸部材）２の外周をシールするものであり、ピストンロッド２を軸支するベアリング２１が内周に環状に嵌合する環状のロッドガイド２０の外部側（大気側）に積層されている。

さらに、密封装置Ｓ１は、外部側（大気側）に配置されたダストシールリップ３００と、内部側（作動流体側）に配置されたオイルシールリップ４とを備えている。そして、密封装置Ｓ１は、上記ダストシールリップ３００でピストンロッド２の外周面に付着した異物を掻き落とし、上記オイルシールリップ４でピストンロッド２の外周面に付着した作動流体を掻き落とすため、緩衝器Ｄの外部側（大気側）の異物がシリンダ１内に入ることを防ぐとともに、シリンダ１内の作動流体が外部に流出することを防いでいる。

他方、上記密封装置Ｓ１を有する緩衝器Ｄは、周知のように、作動流体を収容するシリンダ１と、このシリンダ１内に移動可能に挿入されるピストンロッド２と、このピストンロッド２に保持されて上記シリンダ１内を作動流体で満たされる二つの部屋に区画するピストン（図示せず）と、これら二つの部屋を連通する流路（図示せず）と、この流路を通過する作動流体に所定の抵抗を与える減衰力発生手段（図示せず）とを備えている。

上記構成を備えることにより、ピストンロッド２がシリンダ１に対して移動する緩衝器Ｄの伸縮時に、一方の部屋の作動流体が上記流路を通過して他方の部屋に移動し、緩衝器Ｄは、上記流路を通過する際の減衰力発生手段の抵抗に起因する減衰力を発生することができる。

尚、減衰力発生手段として、積層リーフバルブやオリフィス等が利用されるが、緩衝器Ｄには、図示しないピストンとシリンダ１、ピストンロッド２とベアリング２１等の摺動部が必要であるため、機能上隙間を設けなければならない。しかし、隙間がある以上、作動流体漏れは避けられず、上記減衰力発生手段で微低速、微振幅時の充分な減衰力を得ることが難しい。

そこで、近年、上記したようなサスペンション用の緩衝器Ｄにおいては、オイルシールリップ４で発生する摩擦力を意図的に高くした高摩擦オイルシールを採用し、不足している微低速、微振幅時の減衰力を補っている。

そして、高摩擦オイルシールとするためには、シール材料の摩擦係数を高くしたり、オイルシールリップ４がピストンロッド２を締め付ける力（緊迫力）を高くしたり、摺動部の滑りを抑える処方となっている作動流体を使用したりすれば良い。

特開２００６−１７１６１号公報

しかしながら、上記高摩擦オイルシールを採用した場合、長期間に亘り車両を駐車したままにする等、緩衝器Ｄが長期間作動しない状態で放置されると、オイルシールリップ４とピストンロッド２との摺動面にある作動流体が押し出されて油膜切れを起こし、オイルシールリップ４とピストンロッド２とが固着することがある。

そして、この状態から緩衝器Ｄを作動（伸縮）させると、オイルシールリップ４とピストンロッド２との接触面の円周上の一部で隙間（以下、口開きという）が発生する場合があり、作動流体が漏れ出すことがある。

このオイルシールリップ４から漏れ出した作動流体は、オイルシールリップ４とダストシールリップ３００との間に形成された空間８に一旦留まる。

しかし、ダストシールリップ３００のリップ形状は、シリンダ１からピストンロッド２が退出する伸工程の作動流体膜厚よりも、シリンダ１内にピストンロッド２が進入する圧工程の作動流体膜厚が薄くなるよう設定されており、空間８内の作動流体が徐々に外部側（大気側）に掻き出され、使用者に作動流体漏れと評価されてしまう。

尚、この場合の作動流体漏れは、車両を長期間放置したあとに急に動かした場合にのみ発生し、漏れ出す作動流体も僅かであるので、ピストンロッド２の外周に疵がついて漏れる進行性のある作動流体漏れとは異なるが、使用者に不快感を与えるため改善が求められていた。

そこで、本発明の目的は、高摩擦オイルシールを採用して口開きが起きたとしても、オイルシールリップから漏れ出た作動流体が外部側に掻き出されることを抑制することのできる密封装置を提供することである。

上記課題を解決するための手段は、作動流体を収容する筒部材内に移動可能に挿入された軸部材の外周をシールする密封装置であって、上記筒部材の外部側に配置されて異物の侵入を防ぐダストシールリップと、上記筒部材の内部側に配置されて作動流体の流出を防ぐオイルシールリップとを備えるとともに、これらダストシールリップとオイルシールリップとの間には、上記作動流体が留まる空間が形成された密封装置において、上記ダストシールリップは、メインリップ部と、このメインリップ部よりも上記オイルシールリップ側に形成されたサブリップ部とを備え、上記サブリップ部における内部側の面圧勾配絶対値の最大値は、上記サブリップ部における外部側の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きく設定されていることである。

本発明によれば、高摩擦オイルシールを採用して口開きが起きたとしても、オイルシールリップから漏れ出た作動流体が外部側に掻き出されることを抑制することができる。

本発明に係る密封装置の一実施の形態を備えた緩衝器を部分的に示す縦断面図である。 本発明に係る密封装置の一実施の形態について、そのダストシールリップにおけるメインリップ部とサブリップ部とを拡大して示す縦断面図である。 （ａ）本発明に係る密封装置の一実施の形態について、そのダストシールリップ部分を拡大して示す縦断面図であり、ダストシールリップがピストンロッド外周面に圧接された状態を実線で示し、自由状態のダストシールリップを破線で示す。（ｂ）本発明に係る密封装置の一実施の形態について、そのダストシールリップにおけるリップ位置と面圧との関係を示すグラフである。（ｃ）本発明に係る密封装置の一実施の形態について、そのダストシールリップにおけるリップ位置と面圧勾配との関係を示すグラフである。 従来の密封装置を備えた緩衝器を部分的に示す縦断面図である。

以下に本発明の一実施の形態に係る密封装置について、図面を参照しながら説明する。いくつかの図面を通して付された同じ符号は、同じ部品か対応する部品を示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る密封装置Ｓは、作動流体を収容するシリンダ（筒部材）１内に移動可能に挿入されたピストンロッド（軸部材）２の外周をシールするものであり、シリンダ１の外部側（大気側）に配置されて異物の侵入を防ぐダストシールリップ３と、シリンダ１の内部側（作動流体側）に配置されて作動流体の流出を防ぐオイルシールリップ４とを備えるとともに、これらダストシールリップ３とオイルシールリップ４との間には、上記作動流体が留まる空間が形成されている。

そして、図２に示すように、上記ダストシールリップ３がメインリップ部３０と、このメインリップ部３０よりもオイルシールリップ側（作動流体側）に形成されたサブリップ部３１とを備え、上記サブリップ部３０における内部側（作動流体側）の面圧勾配絶対値の最大値は、上記サブリップ部３０における外部側（大気側）の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きく設定されている。

また、本実施の形態に係る密封装置Ｓは、自動車のサスペンション用の緩衝器Ｄに利用されており、この緩衝器Ｄは、図１に示すように、作動流体を収容するシリンダ１と、このシリンダ１内に移動可能に挿入されたピストンロッド２とを備え、このピストンロッド２がシリンダ１内を軸方向に移動するとき、所定の減衰力を発生する。

尚、この緩衝器Ｄは、如何なる周知の構成を採用するとしても良いが、本実施の形態において、シリンダ１の外側に同心に設けられた外筒１０と、この外筒１０とシリンダ１との間に形成されるリザーバＲとを備えている。このリザーバＲには、作動流体と気体が収容されており、このリザーバＲでシリンダ１内に出没するピストンロッド体積分のシリンダ内容積変化を補償したり、温度変化により膨縮する作動流体の体積変化を補償したりする。

また、本実施の形態において、シリンダ１やリザーバＲに収容される作動流体は、水、水溶液、鉱物油等の液体からなり、リザーバＲに収容される気体は、窒素等の不活性ガスからなる。

以下、本実施の形態に係る密封装置Ｓについて詳細に説明する。この密封装置Ｓは、ピストンロッド２を軸支するロッドガイド２０に積層された環状のインサートメタル５と、このインサートメタル５の内周外部側（大気側）に取り付けられたダストシールリップ３と、上記インサートメタル５の内周内部側（作動流体側）に取り付けられたオイルシールリップ４と、上記インサートメタル５の外周に取り付けられた外周シール６と、上記インサートメタル５の図１中下側となる内部側面におけるオイルシールリップ４と外周シール５との間に取り付けられたチェックリップ７とを備えている。そして、上記オイルシールリップ４と上記ダストシールリップ３との間に空間８が形成されている。

上記チェックリップ７は、環状に形成されて、上記ロッドガイド２０の大気側端面に離着座可能となっており、ロッドガイド２０と密封装置Ｓとの間に形成された隙間を内周側の部屋である内周側部屋７０と外周側の部屋である外周側部屋７１とに区画している。そして外周側部屋７１は、ロッドガイド２０に形成される通路２０ａを介してリザーバＲに連通している。他方、内周側部屋７０には、オイルシールリップ４で掻き落とされた作動流体が溜まる。

そして、チェックリップ７は、内周側部屋７０に溜まった作動流体が外周側部屋７１に移動することを許容するが、リザーバＲ内の作動流体や気体が外周側部屋７１を介して内周側部屋７０に移動することを阻止する。これにより、オイルシールリップ４で掻き落とした作動流体を外周側部屋７１及びリザーバＲを介してシリンダ１内に戻すことができ、逆流を阻止することができる。

つづいて、上記外周シール６は、環状に形成されており、外筒１０の内周面とロッドガイド２０の外周面との隙間を塞ぐ。このため、ロッドガイド２０と外筒１０との隙間から作動流体や気体が外部側（大気側）に漏れることを抑制することができ、ロッドガイド２０の外周（外筒の内周）をシールすることができる。

また、上記オイルシールリップ４は、環状に形成されて基部４ａがインサートメタル５の内周に連設されるとともに、先端４ｂ側が内周内部側（作動流体側）に傾斜しており、このオイルシールリップ４の先端にあたる環状のリップ部（符示せず）がピストンロッド２の外周面にガータスプリング４０で圧接される。

以下、ピストンロッド２が密封装置Ｓに対して図１中上側となる外部側（大気側）に移動する工程を伸工程、ピストンロッド２が密封装置Ｓに対して図１中下側となる内部側（作動流体側）に移動する工程を圧工程と記載する。本実施の形態では、上記オイルシールリップ４によって伸工程で生じる作動流体の膜厚は圧工程で生じる作動流体の膜厚よりも薄くなるよう設定されている。これにより、オイルシールリップ４は、シリンダ１内の作動流体が外部側（大気側）に流出することを防ぐ。

さらに、本実施の形態におけるオイルシールリップ４は、高摩擦オイルシールとされており、オイルシールリップ４を形成する材料の摩擦係数を高くしたり、オイルシールリップ４がピストンロッド２を締め付ける力（緊迫力）を高くしたり、摺動部の滑りを抑える処方となっている作動流体を使用する等、周知の方法により、オイルシールリップ４で発生する摩擦力が高く設定されており、緩衝器Ｄにおける微低速、微振幅時の減衰力を補っている。

つづいて、上記ダストシールリップ３は、環状に形成されて基部３ａがインサートメタル５の内周に連設されるとともに、先端３ｂ側が内周外部側（大気側）に傾斜する。そして、図２に示すように、このダストシールリップ３の先端には、環状のメインリップ部３０と、このメインリップ部３０よりもオイルシールリップ側（作動流体側）に形成された環状のサブリップ部３１とが直列に形成されている。

上記メインリップ部３０の内周は、その先端３０ａから外部側（大気側）に傾斜する外部側傾斜面３０ｂと、上記先端３０ａから内部側（作動流体側）に傾斜する内部側傾斜面３０ｃとを有して断面略三角状に形成されている。

そして、自由状態（ピストンロッド２に圧接されていない状態）のメインリップ部３０における外部側傾斜面３０ｂとピストンロッド２の外周面の内角を傾斜角度ａ１、内部側傾斜面３０ｃとピストンロッド２の外周面の内角を傾斜角度ａ２とすると、傾斜角度ａ１＞傾斜角度ａ２となるよう設定されている。

他方、上記サブリップ部３１の内周は、その先端３１ａから外部側（大気側）に傾斜し上記メインリップ部３０の内部側傾斜面３０ｃに連なる外部側傾斜面３１ｂと、上記先端３１ａから内部側（作動流体側）に傾斜する内部側傾斜面３１ｃとを有して断面略三角形状に形成されている。

また、自由状態（ピストンロッド２に圧接されていない状態）のサブリップ部３１において、内部側傾斜面３１ｃの終端から外部側傾斜面３１ｂの終端にかけて仮想線３２を引いたとき、この仮想線３２と外部傾斜面３１ｂの内角を勾配角度ｂ１、仮想線３２と内部側傾斜面３１ｃの内角を勾配角度ｂ２とすると、勾配角度ｂ１＜勾配角度ｂ２となるよう設定されている。

また、サブリップ部３１の外部側傾斜面３１ｂと内部側傾斜面３１ｃとの内角は１１０度程度に、サブリップ部３１の先端３１ａの曲率半径は、０．２ｍｍ未満に設定されている。

さらに、図３（ａ）中、破線で示すように、メインリップ部３０及びサブリップ部３１の内径は、ピストンロッド２の外径よりも小径に形成されて締代を有していることから、メインリップ部３０及びサブリップ部３１は、図３（ａ）中、実線で示すように、ピストンロッド２の外周面に当接したとき所定の接触面圧をもって弾性変形する。

そして、このとき、メインリップ部３０及びサブリップ部３１が上記形状を備えることにより、ダストシールリップ３におけるリップ位置と面圧との関係は図３（ｂ）に示すようになっており、メインリップ部３０及びサブリップ部３１がピストンロッド２に圧接される部分にそれぞれ面圧のピークが表れる。図３（ｂ）中、右側のピークＰ１はメインリップ部３１の面圧のピークであり、同左側のピークＰ２はサブリップ部３１の面圧のピークである。また、メインリップ部３０とサブリップ部３１との間にはピストンロッド２に当接せず、面圧が０となる部分があり、メインリップ部３０からサブリップ部３１にかけて全面がピストンロッド２に当接しないようになっている。

また、ダストシールリップ３におけるリップ位置と面圧勾配との関係は、図３（ｂ）を微分することにより求められ、図３（ｃ）に示すようになっている。

そして、図３（ｃ）中Ａ１はメインリップ部３０における最大面圧勾配値であり、この絶対値はメインリップ部３０における内部側（作動流体側）の面圧勾配絶対値の最大値である。また、同Ａ２はメインリップ部３０における最小面圧勾配値であり、この絶対値はメインリップ部３０における外部側（大気側）の面圧勾配絶対値の最大値である。そして、メインリップ部３０において、外部側の面圧勾配絶対値の最大値が内部側の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きくなるよう設定される。

これにより、メインリップ部３０によって圧工程で生じる作動流体の膜厚が伸工程で生じる作動流体の膜厚よりも薄くなり、メインリップ部３０は、ピストンロッド２の外周面に付着した異物がシリンダ１内に入ることを防ぐ。

他方、図３（ｃ）中Ｂ１は、サブリップ部３１における最大面圧勾配値であり、この絶対値はサブリップ部３１における内部側（作動流体側）の面圧勾配絶対値の最大値である。また、同Ｂ２は、サブリップ部３１における最小面圧勾配値であり、この絶対値はサブリップ部３１における外部側（大気側）の面圧勾配絶対値の最大値である。そして、サブリップ部３１において、内部側の面圧勾配絶対値の最大値は外部側の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きくなるよう設定されている。

これにより、サブリップ部３１によって伸工程で生じる作動流体の膜厚が圧工程で生じる作動流体の膜厚よりも薄くなり、サブリップ部３１は、空間８内の作動流体が外部側（大気側）に流出することを防ぐ。

以下、本実施の形態に係る密封装置の作用効果について説明する。本実施の形態に係る密封装置Ｓにおいて、ダストシールリップ４が、メインリップ部３０とサブリップ部３１とを備え、サブリップ部３１における内部側（作動流体側）の面圧勾配絶対値の最大値が外部側（大気側）の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きくなるよう設定されるため、緩衝器Ｄの伸工程で生じる作動流体の膜厚を圧工程で生じる作動流体の膜厚よりも薄くして、空間８内の作動流体が外部側（大気側）に流出することを防ぐことができる。したがって、本実施の形態のように、高摩擦オイルシールを採用して口開きが発生したとしても、サブリップ部３１で空間８に溜まった作動流体が外部側（大気側）に掻き出されることを抑制することができる。

また、ダストシールリップ４がピストンロッド２の外周面に摺接して異物の侵入を防ぐメインリップ部３０の他に、ピストンロッド２の外周面に摺接するサブリップ部３１を備えることから、潤滑状況の変化によって発生するダストシールリップ４の先端の首振り挙動を防止することができる。

また、本実施の形態において、メインリップ部３０における外部側（大気側）の面圧勾配絶対値の最大値が内部側（作動流体側）の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きくなるよう設定されるため、緩衝器の圧工程で生じる作動流体の膜厚を伸工程で生じる作動流体の膜厚よりも薄くして、ピストンロッド２の外周面に付着した異物がシリンダ１内に入ることを防ぐことができる。

また、上記実施の形態において、サブリップ部３１の先端３１ａの曲率半径を０．２ｍｍ未満とすることで、サブリップ部３１における面圧のピークを立てることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱することなく改造、変形及び変更を行うことができることは理解すべきである。

例えば、上記実施の形態において、密封装置が自動車のサスペンション用の緩衝器に利用されるとしたが、同様の解決課題を有する他の緩衝器や、シリンダ装置に利用されるとしても良い。

また、密封装置Ｓの形状は、上記の限りではなく、メインリップ部３０とサブリップ部３１との間隔や、サブリップ部３１の外部側傾斜面３１ｂと内部側傾斜面３１ｃの内角や、サブリップ部３１の先端３１ａの曲率半径等も、ダストシールリップ４の撓み量や、素材により適宜変更することが可能である。

ａ１，ａ２ 傾斜角度
ｂ１，ｂ２ 勾配角度
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２ 最大面圧勾配
Ｄ 緩衝器
Ｓ，Ｓ１ 密封装置
Ｒ リザーバ
１ 筒部材たるシリンダ
２ 軸部材たるピストンロッド
３，３００ ダストシールリップ
４ オイルシールリップ
５ インサートメタル
６ 外周シール
７ チェックリップ
８ 空間
１０ 外筒
２０ ロッドガイド
２１ ベアリング
３０ メインリップ部
３０ａ，３１ｂ 先端
３０ｂ，３１ｂ 外部側傾斜面
３０ｃ，３１ｃ 内部側傾斜面
３１ サブリップ部
４０ ガータスプリング

Claims (4)

1. 作動流体を収容する筒部材内に移動可能に挿入された軸部材の外周をシールする密封装置であって、上記筒部材の外部側に配置されて異物の侵入を防ぐダストシールリップと、上記筒部材の内部側に配置されて作動流体の流出を防ぐオイルシールリップとを備えるとともに、これらダストシールリップとオイルシールリップとの間には、上記作動流体が留まる空間が形成された密封装置において、
   上記ダストシールリップは、メインリップ部と、このメインリップ部よりも上記オイルシールリップ側に形成されたサブリップ部とを備え、
   上記サブリップ部における内部側の面圧勾配絶対値の最大値は、上記サブリップ部における外部側の面圧勾配絶対値の最大値よりも大きく設定されていることを特徴とする密封装置。
2. 上記サブリップ部は、環状に形成されて、このサブリップ部の内周の先端から外部側に傾斜する外部側傾斜面と、上記サブリップ部の内周の先端から内部側に傾斜する内部側傾斜面とを備えており、
   上記外部側傾斜面の勾配角度が上記内部側傾斜面の勾配角度よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. 上記サブリップ部は、環状に形成されて、このサブリップ部の内周の先端の曲率半径が０．２ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密封装置。
4. 作動流体を収容するシリンダと、このシリンダ内に移動可能に挿入されるピストンロッドとを備える緩衝器において、
   上記シリンダ及び上記ピストンロッドが上記筒部材及び上記軸部材であり、
   上記シリンダと上記ピストンロッドとの間を請求項１から請求項３の何れか一項に記載の密封装置で塞ぐことを特徴とする緩衝器。

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